5.9新型光纤激光器在激光表面织构中的应用(精)
光纤激光器的原理及应用
光纤激光器的原理及应用张洪英哈尔滨工程大学理学院摘要：由于在光通信、光数据存储、传感技术、医学等领域的广泛应用，近几年来光纤激光器发展十分迅速，且拥有体积小、重量轻、检测分辨率高、灵敏度高、测温范围宽、保密性好、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强等明显优势。
本文简要介绍了光纤激光器的基本结构、工作原理及特性，并对目前几种光纤激光器发展现状及特点做了分析，总结了光纤激光器的发展趋势。
关键词：光纤激光器原理种类特点发展趋势1引言对掺杂光纤作增益介质的光纤激光器的研究20世纪60年代，斯尼泽(Snitzer)于1963年报道了在玻璃基质中掺激活钕离子(Nd3+)所制成的光纤激光器。
20世纪70年代以来，人们在光纤制备技术以及光纤激光器的泵浦与谐振腔结构的探索方面取得了较大进展。
而在20世纪80年代中期英国南安普顿大学掺饵(EI3+)光纤的突破，使光纤激光器更具实用性，显示出十分诱人的应用前景[1]。
与传统的固体、气体激光器相比，光纤激光器具有许多独特的优越性，例如光束质量好，体积小，重量轻，免维护，风冷却，易于操作，运行成本低，可在工业化环境下长期使用；而且加工精度高，速度快，寿命长，省能源，尤其可以智能化，自动化，柔性好[2-3]。
因此，它已经在许多领域取代了传统的Y AG、CO2激光器等。
光纤激光器的输出波长范围在400~3400nm之间,可应用于：光学数据存储、光学通信、传感技术、光谱和医学应用等多种领域。
目前发展较为迅速的掺光纤激光器、光纤光栅激光器、窄线宽可调谐光纤激光器以及高功率的双包层光纤激光器。
2光纤激光器的基本结构与工作原理2.1光纤激光器的基本结构光纤激光器主要由三部分组成：由能产生光子的增益介质、使光子得到反馈并在增益介质中进行谐振放大的光学谐振腔和可使激光介质处于受激状态的泵浦源装置。
光纤激光器的基本结构如图2.1所示。
图2.1 光纤激光器的基本结构图增益介质为掺有稀土离子的光纤芯，掺杂光纤放置在两个反射率经过选择的腔镜之间，泵浦光从光纤激光器的左边腔镜耦合进入光纤，经准直光学系统和滤波器得到输出激光。
《光纤激光器》课件
光纤激光器市场规模持续增长 应用领域不断扩展，如医疗、通信、军事等 技术不断进步，如高功率、高亮度、高稳定性等 市场竞争加剧，国内外企业竞争激烈
工业制造：广泛应用于切割、焊接、打标等领域 医疗领域：用于手术、诊断、治疗等 科研领域：用于科学研究、实验等 通信领域：用于光纤通信、光传输等 军事领域：用于激光武器、激光制导等 环保领域：用于污染治理、资源回收等
频率调制是指通过改变激光 器的频率来改变其输出功率
光纤激光器的调制特性包括频 率调制、相位调制和强度调制
相位调制是指通过改变激光 器的相位来改变其输出功率
强度调制是指通过改变激光 器的强度来改变其输出功率
光纤激光器具有较高的抗电磁 干扰能力
光纤激光器对环境温度和湿度 的变化不敏感
光纤激光器可以工作在恶劣的 环境中，如高温、高压、高湿 度等
特点：高效、稳定、长寿命
作用：产生激光
组成：由两个反射 镜和一个增益介质 组成
工作原理：通过反 射镜的反射和增益 介质的放大，形成 稳定的激光输出
特点：具有高稳定 性和高效率
光纤：传输激光信号 激光器：产生激光信号
光束整形器：调整激光束的形状和方向
光束传输系统：将激光信号传输到目标 位置
控制系统：控制激光器的输出功率和频 率
激光制导武器：利 用光纤激光器进行 精确制导，提高打 击精度
激光通信：利用光 纤激光器进行远距 离、高速率的通信 传输
激光雷达：利用光 纤激光器进行目标 探测和跟踪，提高 探测精度和距离
激光武器：利用光 纤激光器进行高能 激光武器研发，提 高武器威力和射程
激光手术：用于眼 科、皮肤科、耳鼻 喉科等手术
PART THREE
材料：稀土离子掺杂光纤
新型激光技术的研究与应用
新型激光技术的研究与应用随着科技的不断进步，新型激光技术正日益受到人们的重视。
作为一种能够产生高纯度、高单色性光线的光源，激光技术已经在诸多领域展现出了强大的应用前景。
本文将重点探讨新型激光技术的研究与应用。
一、激光技术的基本原理与分类激光技术是依靠受激辐射原理和电磁波放大原理而产生的一种特殊光源。
在激光器中，通过光子间的相互作用，原子或分子被激发并向外发射光子。
这些光子与正在传播的光子同步并行，最终形成一束有明确相位和能量的单色激光光源。
根据激光器的物理特性和应用领域不同，激光技术可以分为多种不同类型。
其中，最常见的激光器种类有气体激光器、固体激光器、液体激光器、半导体激光器等。
每种激光器在物理原理、波长范围、功率稳定性、光束质量、寿命等方面都有不同的特点。
二、新型激光技术的研究进展目前，人们的研究主要集中在如何提高激光器的输出功率、发展新型材料来优化激光的发射波长和谐振腔结构、提高激光束的质量、降低激光器的成本等方面。
下面将分别介绍几种新型激光技术的研究进展。
（一）超短脉冲激光技术超短脉冲激光技术是指激光束的脉冲曾在飞秒或皮秒级别。
由于超短脉冲激光的定位精度高、能量密度大，因此在材料切割、聚合成像、脉冲激光沉积、超快光学等领域具有广泛的应用前景。
近年来，超短脉冲激光技术的研究进展明显，其发展趋势将向着器件小型化、操作简易化、多功能化、高能量化等多个方向发展。
（二）自适应光学技术自适应光学技术的核心思想是通过传感器实时检测光学器件中的异常现象，并利用计算机，以控制反馈的方式对光学器件进行自适应修正。
这种技术可以有效消除光学器件的缺陷，从而提高激光束质量，有望在激光通信、光束约束和空间拍摄等领域得到广泛应用。
（三）全固态激光技术全固态激光器主要是涉及到通过使用固体介质来替代气体和液体，在激光器的构造、泵浦方式和材料探究等方面进行改良。
全固态激光器的优点在于其能够提供较高的输出功率、激光波长稳定性高、寿命长等特点。
激光表面强化技术及其应用
激光表面强化技术及其应用随着科技的不断发展，激光技术已经成为现代工业生产中不可或缺的一部分。
激光表面强化技术是近年来发展起来的一种新型表面处理技术，它可以使材料表面的硬度、耐磨性、抗腐蚀性等性能得到显著提高，从而提高材料的使用寿命和可靠性。
本文将从激光表面强化技术的原理、方法和应用方面进行探讨。
一、激光表面强化技术的原理激光表面强化技术是利用激光束高能量密度的特点，将激光束聚焦到材料表面，使其表面受到高温和高压的作用，从而改变其组织结构和化学性质，提高其硬度、耐磨性和抗腐蚀性等性能。
具体来说，激光束在材料表面产生高温和高压，使表面材料发生相变、熔化、蒸发等过程，同时还会激发材料中的原子、分子等产生化学反应，形成新的化合物或化学键，从而改变表面材料的化学性质。
这些变化使得材料表面的硬度、耐磨性和抗腐蚀性等性能得到显著提高。
二、激光表面强化技术的方法激光表面强化技术的方法主要分为以下几种：1. 激光淬火：利用激光束高能量密度的特点，将其聚焦到材料表面，使其表面迅速升温，然后快速冷却，从而使表面形成高硬度的淬火层。
这种方法适用于钢、铁等金属材料。
2. 激光熔覆：将激光束聚焦到材料表面，使其表面熔化，然后喷射一定量的粉末或线材，形成一层新的涂层。
这种方法适用于各种金属材料和陶瓷材料。
3. 激光表面改性：利用激光束高能量密度的特点，将其聚焦到材料表面，使其表面发生物理和化学变化，从而改变其表面性质。
这种方法适用于各种材料。
三、激光表面强化技术的应用激光表面强化技术具有广泛的应用前景，主要包括以下几个方面： 1. 汽车制造：激光表面强化技术可以提高汽车零部件的硬度和耐磨性，从而增加汽车的使用寿命和可靠性。
2. 航空航天制造：激光表面强化技术可以提高飞机发动机叶片、涡轮等零部件的耐磨性和抗腐蚀性，从而提高飞机的性能和可靠性。
3. 电子制造：激光表面强化技术可以提高电子器件的耐磨性和抗腐蚀性，从而提高电子器件的使用寿命和可靠性。
光纤激光器的特点与应用
光纤激光器的特点与应用特点：1.高效率：光纤激光器的光电转换效率高，能将大部分的电能转化为光能，较低的功率损耗使其能够工作在较长时间内。
2.高光束质量：光纤激光器通过光纤内部的多次全反射使光线能够沿着光纤轴向传输，从而减少光线的发散。
这使得光纤激光器的光束聚焦度高、光斑质量好，适合用于高精度加工。
3.线性调制：光纤激光器的输出功率与泵浦光功率之间呈线性关系，能够实现根据需要进行连续、快速的功率调节，满足不同加工需求。
4.体积小、重量轻：光纤激光器相比于其他类型的激光器体积小巧、重量轻，便于安装、移动和集成于机械设备中。
5.寿命长：光纤激光器的泵浦光源通常采用半导体激光器，其寿命长达几万小时，因此光纤激光器的工作寿命相对较长。
应用：1.材料加工：光纤激光器在材料加工方面有广泛的应用，如激光焊接、激光切割、激光打标等。
其高光束质量和线性调制特性使其能够实现高精度的加工，应用于金属、塑料、陶瓷等材料的加工。
2.通信：光纤激光器被广泛应用于光纤通信系统中。
其稳定的输出功率、较低的电－光转换损耗和容易调制等特点使其成为高速通信的重要光源。
光纤激光器还可以实现WDM（波分复用）技术，将多路的信号通过一个光纤传输，提高通信带宽。
3.医疗：光纤激光器在医疗领域有广泛的应用，如激光手术、激光治疗等。
其高光束质量和可调节的输出功率使其能够实现精细的目标组织切割和病变区域消融，且对周围组织损伤小。
4.科学研究：光纤激光器的高功率、短脉冲宽度和高重复频率使其成为研究领域的重要工具。
在激光光谱学、激光脉冲探测、精密光谱分析、激光等离子体物理等领域都有重要应用。
5.展示与投影：光纤激光器的高亮度和调制灵活性使其在展示和投影领域有广泛应用。
激光投影仪通过光纤激光器的光线聚束和调制，能够实现高亮度、真彩色和高分辨率的投影效果。
总结起来，光纤激光器具有高效率、高光束质量、线性调制、体积小、重量轻和寿命长等特点。
在材料加工、通信、医疗、科学研究和展示等领域都有广泛的应用。
光纤激光器助推激光微加工技术
光纤激光器助推激光微加工技术随着现代科技的快速发展，国家对高精度加工、量产技术的需求不断增加，激光微加工技术应运而生并迅速发展。
而在激光微加工技术中，光纤激光器作为激光源之一，得到了越来越广泛的应用。
本文将针对光纤激光器在激光微加工技术中的应用做一个简要的介绍。
一、激光微加工技术的基本概念激光微加工技术，顾名思义就是通过激光器的强弱调节、聚焦控制，对材料进行微小颗粒、微细部件的加工和切割，是一种高精度加工技术。
目前激光微加工技术已经被广泛应用于半导体芯片、微电子器件、光学元器件、医疗器械、航空部件等多个领域。
二、光纤激光器的基本概念光纤激光器是一种以光纤为基底、采用泵浦技术进行激光放大的设备。
与其他激光器相比，光纤激光器具有小功率的优势，且稳定性好、成本低、寿命长、体积小、维护成本低等特点。
因此，光纤激光器在激光微加工技术中的应用也愈发广泛。
三、光纤激光器在激光微加工技术中的应用1.微电子器件制造光纤激光器在微电子器件制造中的应用表现得尤为明显。
如图1所示，采用光纤激光器进行加工可以在保证精度的同时增加生产效率，尤其是在微小颗粒、小尺寸部件的加工中。
此外，光纤激光器还可以结合PCB制造技术进行基板的切割和焊接等生产处理过程。
2.光学元器件加工光学元器件是激光微加工技术的一个重要领域。
在这个领域，光纤激光器的应用也非常广泛。
光纤激光器聚焦在一个小点上，非常适合进行微米级别的加工。
特别是在塑料模具的切割中，采用光纤激光器可以取代传统的机械加工，提高工作效率，促进产业升级。
3.医疗器械加工随着医疗器械领域的快速发展，对精度的要求也越来越高。
而光纤激光器在医疗器械加工中也有其独特的应用。
比如，在歯医学领域，光纤激光器可以快速有效地处理多种材料，如金属、塑料和陶瓷等，使医疗器械的加工效率和精度都得到了提高，也可以为医学家和牙医提供更多的微观修复工具。
四、诸多潜在的将来应用随着光纤激光器的不断升级和更广泛的推广应用，还存在一些潜在的将来应用1.在航空航天等领域，采用光纤激光器技术可以实现更轻、更坚固的零部件。
光纤激光器的应用与优化
光纤激光器的应用与优化激光技术是一种高度发展和应用广泛的技术，在现代科学和工业领域中扮演着至关重要的角色。
而其中，光纤激光器作为激光技术中的一种关键设备，其应用与优化是当前研究的热点之一。
在本文中，我们将探讨光纤激光器的应用领域以及如何优化其性能。
首先，光纤激光器在通信领域有着广泛的应用。
由于其具有高度方向性、单色性好、能量密度大等特点，因此被广泛用于光纤通信系统中。
光纤激光器能够产生高质量的激光光束，通过光纤传输，实现数据的高速传输和远距离传输。
其应用于长距离光纤通信中，具有信号传输速度快、抗干扰性强等优点，使得它成为了现代通信技术的核心设备之一。
其次，光纤激光器在医学领域也有着广泛的应用。
例如，它可以被用来进行切割、焊接和瞬时消融疾病组织等手术操作。
相比传统的手术方式，光纤激光器具有创伤小、恢复快的优势，能够大大降低患者的痛苦和手术风险。
同时，光纤激光器具有高度精确和可控制性，能够准确切割组织或激活药物，极大地提高了手术的成功率。
因此，光纤激光器在医疗领域的应用前景非常广阔。
除此之外，光纤激光器还被应用于材料加工领域。
由于它能够提供高能量的激光束，可以在短时间内对材料进行加热和熔化，从而实现材料的切割、打孔、焊接等加工工艺。
相比传统机械方法，光纤激光器具有加工速度快、加工效果好、能耗低等优点，极大地提高了材料加工的效率和质量。
因此，光纤激光器在汽车制造、电子工业等领域中得到了广泛应用。
然而，要实现光纤激光器的最佳性能，我们需要优化其工作参数。
首先，激光器的输出功率对其工作效能具有重要影响。
通过调整激光器的注入电流、泵浦光功率和光纤的长度等参数，可以实现输出功率的增加或减小。
其次，激光器的谐振腔的设计也是一个关键问题。
合理设计腔体结构和镜面反射率，可以提高激光器的光斑质量、增大光纤激光器的效应体积，并减小光纤损耗。
此外，光纤材料的选择和光纤的纤芯直径也对激光器的性能有着重要影响。
通过优化这些参数，可以提高光纤激光器的功率输出效率、光束质量和稳定性。
光纤激光器及其应用
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表1 几类激光器性能的比较
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光纤激光器可用于材料加工和制造
不同材料加工所需光纤激光器功率如下: 金属切割:500w~2kw； 金属焊接和硬焊:500w~20kw； 金属淬火和涂敷:2~20kw； 玻璃和硅切割:500w~2kw； 聚合物和复合材料切割为200w~1kw； 快速印刷和打印:20w~1kw； 软焊和烧结为50~500w； 消除放射性沾染为300w~1kw。
申请了十几项专利技术。
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国内研究概况
（2）南开大学在研制出短脉冲光纤激光器的同 时，大胆创新，率先研制出了双包层光纤光栅，为 双包层光纤激光器的全光纤化研究，迈出了重要的 一步。
（3）武汉烽火通信成功推出了完全达到商用水 平的双包层掺镱光纤产品。据悉，通过上海光机所 试用，其斜率效率达到66％以上，在选用合适的光 纤长度和泵浦功率的条件下，可实现100W以上的 激光功率输出，达到国际先进水平。
CO2和YAG激光器： 体积大；高功耗；短 寿命；高维护费用； 使用不方便。
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掺镱光纤激光器：体积小；低功耗；长寿命 ；
低成本，免维护；光束质量好，工作面处功率 密度高；光纤传输到工作面，使用方便。
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深圳大族激光YLP-10光纤激光打标机
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YLP-10光纤激光打标机技术参数
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随着光通信的迅猛发展，光纤制造工艺与半 导体激光器生产技术日趋成熟，为光纤激光器 和放大器的发展奠定基础。英国的南安普敦大 学和通讯研究实验室、德国汉堡技术大学、美 国的Polaroid Corporation,Bell实验室，日 本的ＮＴＴ、Ｈｏｙａ均在光纤激光器研究中 取得许多重要成果。
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3. 小结
本次课介绍了两种通过提高辐照度和功率水平的新型光
纤激光器，拓展了激光织构在材料表面改性方面的应用，丰 富了激光微细加工领域的内容。
4. 作业思考题
1）激光表面织构对材料表面的改性作用有哪些？
2）高反射率材料经过激光表面织构处理后，其吸收率有什么改 变，为什么？
(a) 未经处理的铝表面
(b) 经激光处理的铝表面 （改善粘接性能和焊接质量）
图4 铝材表面经过激光处理前后的对比
(a) 经150ps激光器处理的铜表面 （低通量）
(b) 经150ps激光器处理的铜表面 （高通量）
图5 铜材表面经过激光处理前后表面微观对比
用150ps激光器对高反射材料进行表面织构时，最重要的属性是改变吸收率——使其成为黑色表面，而且形成
新型光纤激光器在激光表面织构中的应用
课程名称：激光加工技术 主讲教师：王文权 单位：浙江工贸职业技术学院
1. 教学目标
了解新型光纤激光器在激光微细加工领域改变材料表面织 构的目的和作用。
2.激光改变材料表面织构
2.1 激光改变材料表面织构的作用
对表面织构的定义是在一个较大的表面积上，通过小型的、深度<10μ m 的纹路，使其形成功能化表面。 作用： （1）提高表面能量； （2）清除污染的氧化层； （3）改善表面一致性； （4）显著提高表面积，进而改善与表面的机械联锁。
图1 激光织构光纤激光器
图2 1kw光纤脉冲纳秒激光器
图3 150ps脉宽的光纤激光器 （在皮秒级激光器基础上加入可调 脉宽，改善辐照度和功率水平）
（模块化结构设计，使其平均功率 提升至千瓦级，拓展了现有纳秒激 光器的应用范围）
图4 新型光纤激光器生产的网纹辊的表面 （凹点直径20μ m，深度为10μ m）
的标记永恒、持久、可清洁，且宏观尺度平滑，这样在使用时就不会存留污物。这意味着所有波长都会被强烈吸 收。与未经处理的表面相比，高反材料不仅高度反射，而且不均匀，氧化层的厚度存在差异。这种不均匀性被认 为是激光点焊重复性差的原因所在。预处理作用：（1）提高高反金属点焊的重复性；（2）在焊接异种金属时， 改善对焊接深度的控制；（3）处理面积小至直径1mm，可显著强化表面吸收，有助于随后的激光焊接。